CN102460166A - 生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量生物医学数据的生物传感器。所述生物传感器包括测量层，将生物样品注入其中并且其与生物样品反应以获得生物样品的生物数据。此外，所述生物传感器包括下部盖，所述下部盖设置在测量层下表面之下，并且具有为了用作用于获得生物样品的反应数据的测量区而暴露的下部开窗以及下部突起，所述下部突起在下部开窗的周边区域向上突出。此外，所述生物传感器包括上部盖，所述上部盖设置在测量层的上表面上，并且具有为了填充生物样品而暴露的上部开窗以及上部突起，所述上部突起在离开上部开窗的区域和对应于下部突起的区域中向下突出。在本文中，上部盖和下部盖彼此挤压，与其间的测量层形成由测量层的上表面、上部盖的下表面和上部突起构成的毛细间隙。因此，不仅生物传感器进行测量所需的生物样品量可以最小化，而且由红血细胞体积造成的测量误差也可以最小化。

Description

生物传感器

发明背景

1.发明领域

本发明一般性地涉及生物传感器，更具体地，本发明涉及垂直流动型生物传感器。

2.相关技术描述

生物样品(如血液)中存在的分析物的定量或定性分析从化学或临床观点来看是重要的。其代表性的实例包括测量造成多种成年人疾病的胆固醇和测量糖尿病患者血液中的血糖。作为测量生物医学数据(如胆固醇或血糖)的技术，将生物样品(如血液)滴加到测试条并检测颜色变化或电化学改变(由于反应区中的酶促反应而发生)的方法已广为人知。

为了实施上述技术，已提出与用于测量包含在生物样品中的分析物的测试条(即生物传感器)相关的技术。例如，当旨在测量血液中的血糖时，生物传感器可以使用电化学方法从抽取的血液中测量血糖量。但是，包括血液在内的生物样品的抽取是对被抽取生物样品的人造成疼痛的行为。因此，为了减少疼痛，测量所需的生物样品量需要最小化。

但是，由于典型光学生物传感器中血液量的不足可极大地影响分析结果，因而重要的是将多于预定量的血液载入到测试条的测量层上。红血细胞体积因人而异有20％至60％的差异。因此，即使注入相同量的血液，从红血细胞分离出并到达最终反应层的血清量仍有差异。

发明内容

本发明是在考虑到了现有技术中存在的上述问题的情况下作出的，并且本发明的一个目的是提供一种生物传感器，其可以使到达最终反应层的血清量的差异最小化，同时使测量所需的生物样品量最小化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种生物传感器，所述生物传感器包括：测量层，其配置为测量与生物样品的反应是否已发生；下部盖，其布置在所述测量层之下并且具有下部突起，所述下部突起在配置为使得测量层的测量区暴露的开窗和上部盖的上部突起之间突出，从而使下部突起与上部突起间隔预定的间隙，并且挤压测量层使得测量层的顶部自开窗向上突出；和上部盖，其布置在测量层之上并且具有开窗和上部突起，所述上部突起配置为在上部突起耦合至下部盖的方向上从开窗的外部突出。

附图简述

图1是显示本发明一个实施方案的生物传感器的构造的图。

图2和3是详细显示根据本发明一个实施方案的生物传感器的测量层的图。

图4是显示根据本发明一个实施方案的处于耦合状态的生物传感器的构造的图。

图5是示出注入生物传感器的生物样品的流动的图。

图6至8是示出所注入生物样品随时间变化的状态的图。

优选实施方案描述

从以下优选实施方案的详细描述并结合附图，将更清楚地理解本发明的以上和其他目的、特征和优势。在下文中将详细描述本发明的优选实施方案，以使本领域技术人员参照附图容易地理解和实施本发明。

图1是显示根据本发明一个实施方案的生物传感器的构造的图。

如图所示，根据该实施方案的生物传感器包括测量层20、上部盖10和下部面板30。

测量层20被配置为测量与生物样品的反应是否已发生并在与生物样品反应的同时导致颜色变化或电化学变化。

上部盖10包括开窗12。在该实施方案中，上部盖10包括上部突起15，所述上部突起15与开窗12的外部间隔预定的距离并且被配置为朝着下部面板30突出，而且向下挤压布置在上部盖10和下部面板30之间的测量层20。

下部面板30包括下部突起35，所述下部突起35朝着开窗12和上部盖10的上部突起15之间的区域突出，从而对应开窗12的边沿。在该实施方案中，下部突起35被配置为挤压测量层20，使得在上部盖10和下部面板30彼此耦合时，在上部盖10和下部面板30之间的测量层20的顶部从上部盖10的开窗12中向上突出并且测量层20的底部是平坦的。优选地，下部突起35的尺寸和长度根据上部盖10的开窗12的尺寸来确定。使下部突起35的突出长度均一，从而使得测量层的底部能够被挤压成平的。具体地，下部面板布置在测量层之下并具有在开窗和上部盖的上部突起之间突出的下部突起35。

在一个实施方案中，上部盖10的上部突起15和下部面板30的下部突起35有不同的突出长度。例如，上部突起15可突出4mm的长度，而下部突起35可突出3mm的长度。但是，本发明的突出长度并不限于这些实例。

在该实施方案中，由于上部盖10的上部突起15和下部面板30的下部突起35彼此耦合使得下部突起35与上部突起15间隔预定的间隙，因而从上部盖10的开窗12向上突出的测量层20的顶部是凸起的，而测量层的底部是平坦的。

图2和3是详细显示本发明一个实施方案的生物传感器的测量层的图。

如图2所示，根据该实施方案的测量层采用这样的结构，其中铺展层22、分离层24和反应层26层叠于彼此之上。

具体而言，如图3所示，铺展层22可包括布置在分离层24的上方的第一铺展层22a和布置在分离层24的下方的第二铺展层22b。换言之，铺展层22可以具有至少一层，并且可以提供在其他层之间。

第一铺展层22a允许生物样品(如注入的血液或血浆)快速且均一地铺展。在该实施方案中，例如第一铺展层22a可以由织造材料(如聚酯或棉)或非织造织物(如织物、纱布或单丝)制成。

分离层24位于第一铺展层22a之下，并被配置为从生物样品(即通过第一铺展层22a铺展的血液)中分离血细胞如红血细胞，(也称为红细胞)。在一个实施方案中，血液被分离成红血细胞和血清。血细胞以固体组分(如红血细胞和白血细胞)的形式形成，而血清以黄色液体形式形成。红血细胞起到抗原(凝集原)的作用，而血清起到抗体(凝集素)的作用。垂直流动型生物传感器主要从注入的血液中分离红血细胞。此外，观察反应区中与血清的反应结果，从而可以检查分析物的分析结果。

在该实施方案中，分离层24可以实验性过滤全部红血细胞的约80％至90％。在一个实施方案中，分离层24可以以垫(包括玻璃纤维)的形式来实施。但是，分离层24不限于这些实施方案，并且可以由聚酯、硝基纤维素或聚磺酸酯制成的垫的形式来实施。

第二铺展层22b允许通过分离层24从中分离了部分红血细胞的生物样品快速且均匀地铺展，从而使得生物样品能够被快速且均匀地吸入位于第二铺展层22b下方的反应层26中。在该实施方案中，第二铺展层22可以实施为具有与第一铺展层22a相同或不同的构造。

在一个实施方案中，测量层20还可以包括布置在第二铺展层22b和反应层26之间的微分离层。微分离层位于分离层24之下，并且在该实施方案中具体被配置为包含玻璃微纤维、纤维素纤维或合成短纤维。在这种情况下，玻璃微纤维实施为具有0.3至0.7μm的直径和约0.1g/cm²或更低的密度的玻璃纤维。微分离层可以分离未被分离层24过滤出的剩余红血细胞。

在第二铺展层22b或微分离层之下提供反应层26。在该实施方案中，反应层26包含干化学物质和反应物，并在与胆固醇等反应时引起颜色变化。

在该实施方案中，测量层的构造不限于以上描述，并且可包括多种改变。例如，另外的层进一步包含在已有的层之间是可能的，以进一步提高生物样品的吸收率或层之间的相互传播速度。具体而言，可在层之间布置铺展层以更快地进行铺展。

图4是显示根据本发明一个实施方案的处于耦合状态的生物传感器的构造的图，图5是示出注入生物传感器的生物样品的流动的图。

如图4所示，由于其中一个或更多个层层叠在彼此之上的测量层被成形为彼此间隔开预定间隙的上部突起15和下部突起35挤压，因而测量层的顶部向上凸起，而测量层的底部是平坦的。按照这种方式，由于测量层被挤压为使得其顶部凸起而底部平坦，因此本发明可以提供这样的结构，其中顶部有利于吸收生物样品(如血液)，而底部有利于保证注入的生物样品的均匀性。

首先，在上述结构中，当通过上部盖的开窗注入最小量的血液时，相对大量的血液由于测量层的凸起形状而被载入开窗的端部。此外，随着垂直流动逐渐进行，血液均匀地载入到反应层中。当血液的流动在反应层的反应区停止时，剩余量的样品不再能够被注入到反应区，从而溢流增强，并且剩余量的样品流到反应区之外。

此外，如图5所示，在开窗的端部，被吸入测量层的下部的样品流F1和离开测量层的样品流F2共同存在。此外，由于测量层的顶部具有凸起的形状，因而垂直流动可以更大的规模发生，从而在测量部分附近载入速度可进一步提高。当生物样品的流动在测量层的测量区中行进并且生物样品被吸入测量层的全部表面时，不再出现朝着测量层的下部的生物样品流F1，而只存在离开测量层的生物样品流F2。换言之，随着样品量被注入到测量区，无论红血细胞的体积为何，只有一定量的样品可以被载入。

在一个实施方案中，即使样品仅被载入测量区(例如，具有约3mm的直径，对应于开窗的大小而非生物传感器的反应层的整个尺寸)，也可以进行测量。在本发明的生物传感器的情况下，即使注入约4μl至10μl的少量生物样品，也可以注入足以在反应层的测量区指示反应变化的样品量。

但是，如上所述，血液中所含红血细胞的体积因人而异可存在20％至60％的极大差异。换言之，即使注入相同量的血液，与红血细胞分离并到达最终反应层的血清的量也可能存在差异。因此，注入本发明的实施方案的生物传感器中的生物样品量优选基于血清/血液比低的人来设定。在血清/血液比高的人的情况下，具有使得在预定量的样品被吸入反应层之后剩余的一定量的样品溢流的可能性。因此，待注入生物传感器的生物样品量基于血清/血液比低的人来设定，并因而可以使样品充分地注入反应区。

如图4所示，由于由层叠在彼此之上的多个层构成的测量层20在其一部分(其中上部突起15和下部突起35耦合以彼此间隔一定的间隙)中被挤压，因而注入开窗12的血液的水平流动可以被最小化。

在这种情况下，注入部分A(其中上部突起15和下部突起35耦合以彼此间隔一定的间隙)的生物样品的流动以这样的方式形成从而使得在生物样品到达测量层20之前，其在向下的垂直方向上流动，而在生物样品到达测量层20后，其在面向测量层20中的测量区内部或外部的方向上铺展。

换言之，在与红血细胞分离并通过垂直流动到达反应层26的血清中，在测量层20中极少发生水平流动。具体而言，由于测量层20在部分A(其中上部突起和下部突起耦合以彼此间隔一定的间隙)中被挤压，因而血清朝向反应区内部的水平流动比血清朝向反应区外部的流动更容易发生。

此外，由于通过上部突起和下部突起的耦合以形成为与下部突起间隔一定的间隙，测量层20被挤压，使得其顶部向上凸起，而其底部(即反应层26)在反应区(即开窗的中心部分B)中是平坦的，从而可以保证吸入反应层26的血清的均匀性。

图6至8是示出所注入的生物样品随时间变化的状态的图。

首先，为了观察生物传感器中发生的反应，将生物样品(如血液)滴入开窗12中。在持续时间不长的样品注入起始阶段，在开窗的端部5-1(即测量区的端部，如图6所示)显示强烈的样品垂直流动。在这种情况下，由于测量层被挤压从而使其中心部分因上部盖的上部突起和下部面板的下部突起而向上凸起，因而有进一步提高测量区的端部处的垂直流动速度的效果。与之相反，与两个端部的强垂直流动相比，测量区的中心部分5-2处有少量的垂直流动。

在起始阶段被吸入开窗12的端部6-1的生物样品很少以水平方向行进。在这种状态下，如图7所示，经预定持续时间后，生物样品按照在开窗的端部处的垂直流动到达测量层20，之后水平移动以使其在面向开窗12的中心和外部的方向上铺展。在这种情况下，由于测量层的结构，与朝向反应区外部的行进相比，生物样品朝向反应区中心部分的行进更强烈地进行。

在本文中，样品在开窗的中心部分6-2处的垂直流动持续发生。因此，在中心部分的样品也按照样品的垂直流动到达位于测量层的最底部的反应层。

同时，最大量的样品在上部突起和下部突起间隔开的间隙中到达测量层的区域6-3。因此，水平流动首先在位于测量层最底部的反应层中发生。此外，部分样品流向面朝测量区外部的方向6-4。

如图8所示，经过长的持续时间后，从反应区的两个端部向中心部分行进的样品和按照垂直流动到达最底部的反应层的样品饱和，因而反应层中朝向反应区中心部分的水平流动停止。

当反应层中朝向反应区中心部分的样品流动停止时，至反应层外部的水平流动增加，并且剩余量的样品逐渐向测量区的外部7-1移动。因此，累积在测量区的反应层中的样品量(7-2)可以保持为均一的量。此外，在不同于整个反应层的测量区的一个实施方案中，即使生物样品仅被载入直径为3mm的区域中，也可以进行测量。因此，可以提供能仅用如约4μl至10μl的少量血液的生物样品测量反应的生物传感器。

本领域普通技术人员应理解本发明包括参照详细描述和附图的以下技术配置。用于分析包含在注入血液中的分析物的生物传感器包括：用于接收血液的血液接收层；反应层，在其上发生与包含在注入血液中的分析物的反应；上部面板，其布置在血液接收层之上并包括通过其载入血液的开窗；和下部面板，其布置在反应层之下并且包括在其中测量与分析物的反应的开窗。血液的垂直流动在血液接收层中发生，血液的横向流动在反应层中发生。

具体而言，血液的大量垂直流动在血液接收层对应于开窗的端部的区域处发生(见图6和7)，并且在对应于开窗的端部的区域处按照垂直流动到达测量层的血液水平移动，从而使其在面向开窗中心的方向上铺展(见图7和8)。

此外，本领域技术人员应理解下部盖的开窗和上部盖的开窗大小完全相同并且彼此位置对应。此外，下部突起和上部突起可以被配置为彼此无间隙地完美耦合。或者，下部突起和上部突起可以被配置为耦合以彼此间隔一定的间隙。例如，如图6至8所示，下部突起和上部突起耦合以彼此间隔一定的间隙，并且上部盖和下部面板上的开窗的尺寸和位置相互不完全对应。

总之，由上部突起在测量层的顶部和上部盖的底部之间形成预定间隙，并且下部突起向上挤压测量层以使测量层的顶部向上凸起并且测量层的底部是平坦的。在如图6至8所示的这种结构中，在上部盖的开窗端部处出现血液的强垂直流动，并且到达为最底层的测量层的血液水平移动，使得其在面向反应区中心的方向上铺展。因此，与大部分量的血液垂直流动以到达反应层的常规生物传感器相比，本发明的生物传感器可以使到达最终反应层的血清量差异最小化，同时使测量所需的生物样品量最小化。因此，所述生物传感器可以减小可由红血细胞体积引起的测量误差，从而更精确地指示反应结果。

上文所用术语“测量区”和“反应区”旨在描述用于数据测量的区域和用于样品反应的区域，并且它们基本相同。

尽管为说明性目的公开了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员应理解可以进行多种修改、添加和替换，而不背离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神。因此，应认为以上实施方案是为描述目的而不是限制目的。本发明的范围在所附权利要求中公开，并且属于其等同范围的所有差异应被解释为包含在本发明内。

Claims (14)

1.一种生物传感器，包括：

测量层，其配置为测量与生物样品的反应是否已发生；

下部盖，其布置在所述测量层之下并且具有下部突起，所述下部突起在配置为使得所述测量层的测量区暴露的开窗和上部盖的上部突起之间突出，从而使所述下部突起与所述上部突起间隔预定的间隙，并且挤压所述测量层使得所述测量层的顶部自所述开窗向上突出；和

上部盖，其布置在所述测量层之上并且具有所述开窗和所述上部突起，所述上部突起配置为在所述上部突起耦合至所述下部盖的方向上从所述开窗的外部突出。

2.权利要求1的生物传感器，其中所述下部突起挤压所述测量层，使得所述测量层的底部是平坦的。

3.权利要求1的生物传感器，其中所述测量层根据与所述生物样品的反应而改变其颜色。

4.权利要求1的生物传感器，其中所述测量层包括：

用于铺展注入的生物样品的铺展层；

用于将经所述铺展层铺展的所述生物样品分离成血清和红血细胞的分离层；和

涂布有根据与所述血清的反应而产生颜色变化的发色剂的反应层，所述血清为通过所述分离层而与所述红血细胞分离的血清。

5.权利要求4的生物传感器，其中所述铺展层包括：

布置在所述分离层之上的第一铺展层；和

布置在所述分离层和所述反应层之间的第二铺展层。

6.权利要求4的生物传感器，其中所述分离层包含玻璃纤维、聚酯、硝酸纤维素和聚磺酸酯中的至少之一。

7.权利要求1至6中任一项的生物传感器，其中所述测量层在所述上部盖和所述下部盖之间被挤压，使得所述下部突起向上挤压所述测量层，从而使所述测量层的顶部向上凸起。

8.权利要求1至6中任一项的生物传感器，其中所述下部盖的开窗和所述上部盖的开窗的尺寸完全相同并且彼此位置对应。

9.权利要求1至6中任一项的生物传感器，其中所述下部突起和所述上部突起无间隙地彼此完美耦合。

10.权利要求1至6中任一项的生物传感器，其中所述下部突起和所述上部突起耦合以彼此间隔一定的间隙。

11.一种用于分析包含在注入血液中的分析物的生物传感器，包括：

用于接收所述血液的血液接收层；

反应层，在其上发生与包含在所述注入血液中的所述分析物的反应；

上部面板，其布置在所述血液接收层之上并且包括通过其载入所述血液的开窗；和

下部面板，其布置在所述反应层之下并且包括在其中测量与所述分析物的反应的开窗，

其中所述血液的垂直流动在所述血液接收层中发生，而所述血液的横向流动在所述反应层中发生。

12.权利要求11的生物传感器，其中所述血液接收层包括：

用于铺展注入的生物样品的铺展层；和

用于将经所述铺展层铺展的所述生物样品分离成血清和红血细胞的分离层。

13.权利要求11和12中任一项的生物传感器，其中所述反应层包含根据与所述分析物的反应而产生颜色变化的发色剂。

14.权利要求11的生物传感器，其中所述血液的大量垂直流动在所述血液接收层的对应于所述开窗的端部的区域处发生，并且在对应于所述开窗的端部的区域处按照垂直流动到达所述测量层的所述血液水平移动，从而使其在面向所述开窗的中心的方向上铺展。

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